1 葉輪概況

　　葉輪廣泛應(yīng)用于各種發(fā)動機(jī)泵體，是泵體供油的關(guān)鍵零件，典型應(yīng)用包括膨脹機(jī)、泵、流程壓氣機(jī)、渦輪和渦輪噴嘴。工作原理是通過高速旋轉(zhuǎn)，將燃油由葉輪進(jìn)油口帶入，再由出油口噴出，由于進(jìn)油口橫截面大于出油口橫截面，燃油在這一過程中得到加壓，產(chǎn)生強(qiáng)大壓力由出油口噴出。其制造精度直接影響泵體的工作效率。因此是泵體能否達(dá)到設(shè)計要求的關(guān)鍵零件。

　　目前，由于其結(jié)構(gòu)多為外窄內(nèi)寬型式，葉輪多采用兩體加工，經(jīng)過焊接成為整體。這就使得葉輪在設(shè)計時就必須考慮葉輪材料要有良好得焊接性能，這樣，材料特性就必須兼顧焊接性能和機(jī)械性能。如廣泛應(yīng)用的鋁合金6A02其特性為：中等強(qiáng)度，焊接性能好，用于制造高塑性，高耐蝕性、中等負(fù)荷的零件及構(gòu)件。但經(jīng)過試驗，葉輪在高轉(zhuǎn)速條件下存在氣蝕和腐蝕現(xiàn)象（如圖1）。大大降低整個泵體的工作效率，同時對其它零件造成一定的影響，降低泵體的使用壽命。而為避免氣蝕和腐蝕現(xiàn)象選用其它材料如2A70，TC4等材料，不是焊接性能較差，就是制造成本增加。而且，焊接時的高溫使葉輪組件產(chǎn)生退火。為保證硬度需重新進(jìn)行淬火。淬火后表面形成氧化皮，需由鉗工挫修表面達(dá)到尺寸要求。造成葉輪葉型尺寸不一致，曲面誤差大，影響葉輪工作效率（如圖2）。因此，考慮將葉輪由傳統(tǒng)的兩體結(jié)構(gòu)改為閉式整體結(jié)構(gòu)。這樣，在材料的選擇上，就可以不考慮材料的焊接性能，只考慮材料的機(jī)械性能。選擇較高的機(jī)械性能克服在工作中產(chǎn)生的氣蝕和腐蝕現(xiàn)象。

2 閉式葉輪優(yōu)點

　　完整的閉式葉輪零件相比于那些輪蓋和輪盤單獨加工又組裝的葉輪具有很多的優(yōu)勢。包括通過整體加工，可減化葉輪制造工序，降低機(jī)械加工難度，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。而且，閉式葉輪部件可以避免焊接造成的熱變形，比裝配葉輪結(jié)合縫位置也更加牢固。由于閉式葉輪采用整體加工成型，加工后葉型曲面誤差小，在一次裝夾加工成型的情況下，葉型沿圓周分部均勻，動平衡時去除質(zhì)量較少。

　　又因閉式葉輪避免了焊接，因此材料選擇范圍增大。目前因鈦合金材料具有良好的綜合性能，在多種環(huán)境中有優(yōu)良的抗腐蝕性能，已廣泛應(yīng)用于航空航天尖端領(lǐng)域，但由于其焊接性能相對其它材料較差，在葉輪加工領(lǐng)域應(yīng)用較少，但隨著整體閉式葉輪加工技術(shù)的發(fā)展，五軸數(shù)控加工技術(shù)的日趨完善，使整體鈦合金閉式葉輪加工變?yōu)榭赡堋Ｒ虼耍w閉式鈦合金葉輪(圖1)是此次閉式葉輪加工技術(shù)研究的重點。

3 鈦合金閉式葉輪加工難點

　　3.1 材料難加工

　　首先，鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。因切削區(qū)散熱慢，不利于熱平衡，在切削加工過程中，散熱和冷卻效果很差，易于在切削區(qū)形成高溫，加工后零件變形回彈大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快，耐用度降低。其次，鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)低，使切削熱積于切削刀附近的小面積區(qū)域內(nèi)不易散發(fā)，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削熱不易散發(fā)，加速刀具磨損。最后，鈦合金化學(xué)活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應(yīng)，形成溶敷、擴(kuò)散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現(xiàn)象。

　　3.2 切削刀具材料要求高

　　因加工材料為鈦合金TC4，因此，刀具材料選用應(yīng)滿足下列要求：

　　①足夠的硬度。刀具的硬度必須要遠(yuǎn)大干鈦合金硬度。

　　②足夠的強(qiáng)度和韌性。由于刀具切削鈦合金時承受很大的扭矩和切削力，因此必須有足夠的強(qiáng)度和韌性。

　　③足夠的耐磨性。由于鈦合金韌性好，加工時切削刃要鋒利，因此刀具材料必須有足夠的抗磨損能力，這樣才能減少加工硬化。這是選擇加工鈦合金刀具最重要的參數(shù)。

　　④刀具材料與鈦合金親合能力要差。由于鈦合金化學(xué)活性高，因此要避免刀具材料和鈦合金形成溶敷、擴(kuò)散而成合金，造成粘刀、燒刀現(xiàn)象。

　　經(jīng)過對國內(nèi)常用刀具材料和國外刀具材料進(jìn)行試驗表明，采用硬質(zhì)合金刀具效果理想。

　　3.3 全新的加工方法

　　透平機(jī)械零件的加工一直是機(jī)械加工中的難點，而閉式葉輪與敞開式葉輪相比其葉片截面很薄，刀具運動空間狹小，需要小直徑細(xì)長的刀具，而且對加工表面質(zhì)量和公差有很高要求，因此葉輪的加工關(guān)鍵在葉型加工，由于其形狀為外窄內(nèi)寬型式，采用普通加工工藝方法很難加工出完整葉型，必須根據(jù)閉式葉輪特點設(shè)計三維實體造型，制定合理的加工工藝方法，使葉輪加工后保證葉型準(zhǔn)確，一致。同時提高葉輪加工效率。因此葉型加工必須在選擇先進(jìn)的、現(xiàn)代化、集成度高的加工設(shè)備基礎(chǔ)上摸索出全新的、可行的加工工藝技術(shù)。

　　3.4 葉型檢測

　　由于閉式葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械加工后，部分表面留有殘余去除量，需手工修型，對葉型表面進(jìn)行拋光，為保證葉型尺寸準(zhǔn)確一致。保證葉輪工作時達(dá)到設(shè)計要求，需設(shè)計制作相應(yīng)葉型樣板。使葉輪最終尺寸達(dá)到圖紙要求。

4 閉式葉輪的實踐

　　根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)特點，制定了詳細(xì)的加工工藝過程，葉輪的關(guān)鍵工序數(shù)控銑型加工選擇在先進(jìn)的五軸立式數(shù)控銑加工中心HERMLE C40U上進(jìn)行，其最高主軸轉(zhuǎn)速24000r/min，結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，剛性好，工作穩(wěn)定，加工范圍廣，特別適合加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜類零件，完全滿足閉式葉輪的加工要求。

　　目前，整體閉式葉輪使用普通CAD/CAM加工軟件很難加工成型，專業(yè)整體閉式葉輪加工軟件只有美國的Concepts NREC公司的MAX-PAC軟件可以加工，而該軟件使用對象為大型閉式葉輪，對于直徑只有φ35mm，均勻分布八個葉片，進(jìn)氣端寬度8mm，出氣端寬度只有4.5mm的小型閉式葉輪，MAX-PAC軟件很難編制出有效加工程序。而借助功能全面的CAD\CAM軟件平臺NX4.0，通過其提供的豐富的加工策略，經(jīng)過三維實體造型，對零件特點進(jìn)行分析，確定加工曲面多角度的加工方法，使用型腔粗加工、插銑、半精加工和精加工進(jìn)刀方式、沿流道方向精加工等加工方式。經(jīng)過編制加工程序，加工模擬等環(huán)節(jié)，確定了閉式葉輪葉型由粗加工（去除余量），到葉型精加工，型腔加工，最后清根的加工路線，先后編制數(shù)個專用數(shù)控銑加工程序（如圖3）。

　　根據(jù)加工要求，閉式葉輪加工大部分采用小直徑，大長徑比數(shù)控刀具。刀具材料選擇對加工效果起決定作用，根據(jù)鈦合金TC4的加工特性，選擇YL10.2超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金具有硬度高、韌性好和切削刃可靠性高等優(yōu)異性能，因而即使在低速或斷續(xù)切削等加工條件下，切削刃也不易產(chǎn)生崩刃或破損。用其制造的小規(guī)格整體硬質(zhì)合金刀具（圖4），如鉆頭（φ2～φ20mm）、立銑刀（φ0.25～φ20mm）、絲錐等，切削速度可成倍、成十倍地提高。為保證刀具尺寸，葉輪用特制刀具由瑞士產(chǎn)S20E磨刀機(jī)專門磨制。

　　為保證葉輪加工的準(zhǔn)確性，并有效檢驗閉式葉輪的尺寸，針對葉輪的關(guān)鍵尺寸設(shè)計制作了一系列樣板。有效保證葉輪尺寸的準(zhǔn)確性、一致性。

5 成果

　　通過一系列技術(shù)攻關(guān)和反復(fù)試驗、調(diào)整。閉式葉輪工藝試件已加工成型，各項指標(biāo)符合圖紙要求，證明閉式葉輪加工工藝方案是可行的如圖5。通過小批量試生產(chǎn)，不斷完善閉式葉輪加工工藝技術(shù)，在保證零件尺寸達(dá)到設(shè)計要求的前提下，同分體焊接葉輪比較，減化葉輪制造工序6道，降低了機(jī)械加工難度，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率40%，目前，零件已裝機(jī)試驗，經(jīng)過長時間超載運行試驗，未出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，性能完全達(dá)到設(shè)計要求。